发动机排放污染及控制
主讲人 龚金科等
2020年3月21日
第6章 汽油机后处理净化
6.1 概述 6.2 三效催化转化器 6.3 稀燃技术 6.4热反应器和空气喷射
第6章 汽油机后处理净化技术
概述：主要内容
介绍了三效催化转化器的基本结 构工作原理、催化反应机理、性 能指标和催化剂及其劣化机理。
分析介绍了稀燃催化技术的反应 原理、影响因素以及匹配控制及 性能。
第6章 汽油机后处理净化技术
同时排气中的HC和CO被直接氧化成H2O和和CO2 ，并排出稀燃催化转化器；当汽油机短暂地进入 浓混合气状态下运转时，排气中产生足够多的还 原剂(如HC、CO、H2等)，形成还原气氛，此时发 动机处于浓燃(贫氧)状态下，以硝酸盐形式暂存储 于稀燃催化器中的硝酸盐不稳定，分解并且释放 出NO2，与还原气体CO、 HC、 H2等反应，生成 无害的Ｎ2、CO2和水。
第6章 汽油机后处理净化技术
空气喷射
将新鲜空气喷射到排气门后，使尾气中的HC和 CO在排气管内与空气混合，继续氧化，又称 二次空气法。
1-吸气阀；2-空气滤清器；3-进气管；4-喷嘴
空气喷射装置
第6章 汽油机后处理净化技术
思考题
思考题
1 三效催化转化器的组成及催化反应机理是什么？ 2 三效催化转化器的性能指标及转化效率的影响因素有哪些？ 3 吸附还原催化技术的影响有哪些？
第6章 汽油机后处理净化技术
稀燃催化技术影响因素分析
吸附还原催化器的影
响因素
硫中毒是造成
吸附还原催化器失活的最主要
因素，当燃料含硫量的较多时
，NOx还原效率会急剧下降, 因为硫化物在催化器表面形成
一层不能穿透的硫酸盐表面层
，从而使NOx不能再被吸收， 造成催化器中毒老化而失效。
选择还原催化器
的影响因素
1) 温度影响 2) 还原剂浓度和氧浓度 的影响 3) 活性金属含量的影响
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稀然技术的匹配控制与性能
吸附还原催化器匹配控制吸附还原催化器应用的关键问
题在于采用合适的空燃比控制策略，使NOX 转换效率最高， 燃油消耗量最小。为保证发动机的动力性与经济性，在调节 空燃比的同时，也应该相应改变点火提前角。
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化转化器工作过程模拟
工 作 过 程 动 画
第6章
CO + 0.5O2 → CO2 C3H6 + 4.5O2 → 3CO2 + 3H2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CO + NO → CO2 + 0.5N2 H2 + 0.5O2 → H2O
汽油机后处理净化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
选择还原催化器匹配控制
1.控 制 空 速 、 汽 油 机 在 不 同 负 荷 工况下，催化器的空速变化范围 很大。 2.控制混合气浓度比、NOx与还 原性物质HC的摩尔比可以调节 NOX转化效率
选择还原催化器 匹配控制问题
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6.5 热反应器和空气喷射
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HC-SCR选择还原催化转化器反应机理
将NO氧化为NO2，NO的氧化反应方程式： 2NO+O2→2NO2
与NOx反应生成N2的HC部分氧化反应表达式： NO2+HC→[X]+nH2O
将NO2还原成为N2反应方程式： [X]+NO→N2+CO+mH2O；[X] +NO2→N2+CO+mH2O 2CO+O2→2CO2
排气系统如何匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
催化器与燃料及润滑油的匹配 催化器与燃料及润滑油的匹配
选用抗中毒劣化性好的催化剂。
催化器与排放法规之间也应有合理的对应关系
催化器性能越好，贵金属含量越高，成 本越高，应更注重催化器性能恰好满足 当时排放法规。
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6.3 稀燃催化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
机内净化技术
机内净化技术
以改善发动机燃烧过程为主，对降低排气 污染起到很大作用，但不同程度地给汽车 的动力性和经济性带来负面影响。 随着对发动机排放要求的日趋严格，改善 发动机工作过程的难度越来越大，能统筹 兼顾动力性、经济性和排放性能的发动机 将越来越复杂，成本也急剧上升。
第6章 汽油机后处理净化技术面反应过程总量反应：反
CO氧化反应 CO + 0.5O 2 → CO 2 部分CO可通过水煤气反应：
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
应
2H 2 + O 2 → 2H 2 O 总量反应：
HC氧化反应 CmHn + (m+0.25n)O 2 →
机
mCO 2 + 0.5nH 2 O
稀燃技术反应机理
吸附还原催化器
稀燃 技术 反应 机理
选择还原催化器
NOx吸附还原催化 转化器的工作原理
NOx吸附还原催化 转化器的反应原理
HC-SCR选择还原催化 转化器的工作原理
HC-SCR选择还原催化 转化器的反应原理
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NOx吸附还原催化器工作原理
• 当汽油机在稀燃(富氧)状态下运转时，汽油机排出 氮氧化物NOＸ (主要为NO)，在贵金属Ｂ(主要是Pt) 作用下NO氧化，转化为NO２，NO２再与在贵金属B 的催化剂中加入的碱或碱上金属M(主要是Na＋,K＋ 和Ba２＋ )氧化物作用生成硝酸盐，暂存储于稀燃催 化器中以达到吸附NOＸ的目的(吸附阶段)；
coi—排污染物i在催化器出口处的浓度或体积分数。
转化效率的 计算公式
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或的
空燃比特性
转化效率随α或Фa的变化称为催化器的空燃比特性
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起燃特性
催化剂只有达到一定图6温-7 三度效催化才剂的能起然开温度特始性 工作，称为起燃。
第6章 汽油机后处理净化技术
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化剂
三效催化剂是三效催化转化器的核心部分，它决定了三效催化转
化器的主要性能指标。
蜂窝状整体式载体：排气阻力小、机械强度大、 热稳定性好和耐冲击。其基质有两大类，陶瓷 和金属。
蜂窝陶瓷载体：本身比表面积很小，常在其壁 上涂覆一层多孔性物质，以提高载体的比表面 积。
蜂窝金属载体：涂底层的方法并不适用，通常 采用刻蚀和氧化的方法在金属表面形成一层氧 化物，在此氧化物表面上浸渍具有催化活性的 物质。
：
三效催化转化器工作过程
蜂窝载体简化成轴对称 的二维模型
催化转化器工作过程的原理图
总体反应速率 RSi
1 RSi
1 Rmi
1 RCi
温度低时，总体的催化反应 速度几乎完全取决于化学反 应速度；
温度高时，总体催化反应速 度几乎完全取决于传质速率。
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三效催化转化器的匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
目前，电子控制汽油喷射加三效催化转化器已成 为国内外汽油车排放控制技术的主流。
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化转化器的基本结构
三效催化转化器 由壳体、垫层和 催化剂组成，其 中，催化剂包括 载体、涂层和活 性组分。
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三元催化转化器结构
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催化反应机理
有催化剂参与的化学反应就称为催化反应。固 体催化剂对气态或液态反应物所起的催化作用 属多相催化，车用催化剂就是此类型的催化。
催化剂涂覆示意图
第6章
汽油机后处理净化技术
活性组分 载体 涂层
活性组分
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三效催化剂劣化机理
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化转化器的性能指标
第6章 汽油机后处理净化技术
转化效率
ηi
cii coi cii
100%
η(i)—排气污染物i在催化器中的转化效率；
cii—排气污染物i在催化器进口处的浓度或体积分数；
催化反应过程
第6章 汽油机后处理净化技术
吸附过程
吸附作用是一种或数种物质的原子、分子或 离子附着在另一种物质表面上的过程。
三效催化剂上发生 化学吸附的一般吸
附方程式：
A为吸附质分子（CO、HC或NOX） s为活性中心（或催化中心） A(s)为在吸附表面上形成的表面络合物 H(s)和O(s)分别为氢原子和氧原子吸附在活性中心形成的表面络合物
必要条件：高温和具备化学还原剂
总量反应：
理
NO还原反应 NO + CO → 0.5N 2 + CO 2 NO + H 2 → 0.5N 2 + H 2 O
(2m+0.5n)NO + CmHn
→ (m+0.25n)N 2 + 0.5nH 2 O + mCO 2
三种反应
第6章 汽油机后处理净化技术
脱附过程
第6章 汽油机后处理净化技术
NOx吸附还原催化转化器反应机理
稀燃时NO在贵金属B(Pt)作用下
反
NOX吸附机理
首先被氧化为NO2： NO+ O2→NO2
在富氧条件下 NO2与BaO反应生
应
成Ba(NO3)2的反应： NO2 + BaO + O2→Ba(NO3)2
机
被吸附的NOX在浓燃阶段脱附：
2Ba(NO3)2→2BaO+4NO2+O2
三效催化器与电控燃油喷射系统的匹配
第6章 汽油机后处理净化技术
三效催化器与排气系统的匹配